Geradores síncronos são comumente utilizados em algumas tecnologias de geração de energia elétrica a partir de sistemas de conversão de energia eólica.
Os geradores síncronos utilizados em aerogeradores podem ser classificados em duas principais categorias:
1 _ Geradores Síncronos com Rotor Bobinado (Wound-Rotor Synchronous Generators – WRSG) e;
2 _ Geradores Síncronos de Imã Permanente (Permanent Magnet Synchronous Generators – PMSG).
No WRSG o fluxo do rotor é gerado pelo enrolamento de campo do rotor, enquanto o PMSG utiliza ímãs permanentes para produzir o fluxo do rotor.
Segundo Reis (2013), dependendo da forma do rotor e da distribuição do entreferro ao longo do perímetro do rotor, os geradores síncronos podem ser classificados pelos tipos de polos lisos ou salientes.
Polo saliente é um polo magnético que sobressai da superfície do rotor.
Por outro lado, o polo liso é um polo magnético construído nivelado com a superfície do rotor.
A Figura 7 apresenta um rotor de polos lisos – também conhecido como rotor cilíndrico, enquanto a Figura 8 mostra um rotor de polos salientes. Os rotores de polos lisos utilizados normalmente são de dois ou quatro polos, enquanto que os rotores de polos salientes possuem quatro ou mais polos (REIS, 2013).
Rotores de polos lisos
São rotores nos quais o entreferro é constante ao longo de toda a periferia do núcleo de ferro, como pode ser observado na Figura 7 abaixo.
Figura 7 - Gerador Síncrono com polos lisos. Fonte: Reis, 2013.
Ainda segundo Reis (2013), nas máquinas de polos lisos, os condutores são distribuídos ao longo da periferia. O número de polos é reduzido, gerando uma velocidade elevada, sendo o diâmetro destas máquinas relativamente pequeno. Apesar de, normalmente, esta máquina ter um comprimento bastante grande, o seu momento de inércia é muito menor do que o de uma máquina de polos salientes equivalente, que é mais curta, mas tem um diâmetro muito maior.
Rotores de polos salientes
São rotores que apresentam uma descontinuidade no entreferro ao longo da periferia do núcleo de ferro. Nestes casos, existem as chamadas regiões interpolares, onde o entreferro é muito grande, tornando visível a saliência dos polos, como apresentado na Figura 8, que é o rotor de um aerogerador modelo Enercon E-70, similar ao modelo de aerogerador E-40, onde foram realizados os testes de aquisição dos dados de operação com o objetivo de reconhecimento e identificação de parâmetros através do software SIPAR 1.0.
Figura 8 - Rotor e estator com polos salientes -Aerogerador Enercon E-70. Fonte: Enercon gmbh, 2014.
Nos rotores de polos salientes há um núcleo central, ao qual se ligam os polos (sapatas polares - Poles shoes) onde são enrolados os enrolamentos do indutor. Esta solução é
utilizada normalmente em máquinas de elevado número de polos, gerando baixa velocidade de rotação.
No caso do aerogerador modelo Enercon E-40 sob análise, o número de polos é igual a 72, possuindo cada um, uma resistência média entre 9,7 a 16 Ω (Ohms).
Geradores Síncronos com Rotor Bobinado - WRSG
Como o próprio nome indica, o WRSG tem uma configuração de rotor bobinado para gerar o fluxo magnético no rotor. O enrolamento de campo é bobinado em torno dos polos (sapatas polares - Poles shoes), os quais são colocados de forma simétrica sobre o perímetro do rotor numa configuração radial em torno do eixo para acomodar o grande número de polos. Devido à saliência dos polos do rotor, o mesmo apresenta uma descontinuidade no entreferro (air gap) ao longo da periferia do núcleo de ferro.
O enrolamento de campo do rotor do gerador síncrono requer excitação de corrente contínua (CC) advinda do link DC do inversor de frequência do aerogerador. Em máquinas mais antigas, a corrente de excitação era fornecida tipicamente por anéis coletores e escovas a partir de uma máquina CC, denominada excitatriz e frequentemente montada no mesmo eixo que a máquina síncrona.
Alternativamente, em sistemas mais modernos, a excitação é fornecida a partir de excitatrizes de CA e retificadores, para transformar a CA para CC. A primeira opção é mais simples, mas requer manutenção regular, enquanto que a segunda opção é mais cara e complexa, entretanto exigindo pouca manutenção. No caso do aerogerador E-40 sob análise a excitação em corrente contínua é feita a partir de uma excitatriz de CA e retificador com o auxílio de um circuito de modulação PWM como pode ser visto no diagrama trifilar mostrada na Figura 9.
Figura 9 - Diagrama geral de excitação do Gerador Síncrono E-40.
No caso do modelo E-40 da Enercon, bem como em alguns casos, a retificação ocorre na parte estacionária da máquina (Gabinete em ponto fixo da nacele) e a corrente de excitação é fornecida ao rotor por meio de anéis coletores (Slip ring). Ver Figura 9.
Geradores síncronos com um número elevado de polos operando a baixas velocidades rotacionais podem ser usados em aerogeradores onde não há necessidade de uma caixa de velocidades. Isto conduz a uma melhora na eficiência do sistema e reduz os custos iniciais e de manutenção. Os geradores síncronos de rotor bobinado para aplicações em sistemas eólicos normalmente apresentam a configuração de rotor de polos salientes, com grande número de polos e baixa velocidade de rotação, o que propicia o acoplamento direto do gerador com a aerogerador.
Segundo Reis (2013), a saliência do rotor resulta em um aumento no conjugado produzido pelo gerador, além de tornar a resposta da máquina mais estável diante das variações características na velocidade do vento.
O aerogerador modelo Enercon E-40 em questão não é conectado diretamente na rede elétrica, mas sim através de um conversor CA-CC-CA (full converter) como pode ser visualizado no fluxograma de potência da Figura 10 a seguir.
Figura 10 - Fluxograma geral do circuito do GS E-40. Fonte: Enercon gmbh, 2014.